飛輪儲能用高效磁軸承的基礎(chǔ)研究.pdf

1、磁軸承是一種利用電磁力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮的機電系統(tǒng)。無接觸、低損耗，具有可控剛度和阻尼的磁軸承是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑒于飛輪儲能系統(tǒng)在智能電網(wǎng)技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)、航空航天技術(shù)、不間斷電源技術(shù)以及脈沖電源技術(shù)等領(lǐng)域所展現(xiàn)出的廣闊應用前景，對磁軸承進行基礎(chǔ)研究具有重要的理論研究意義和工程應用價值。
　　本文綜述了磁軸承的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對磁軸承的工作原理、電磁場計算方法、控制方法的研究進展進行了探討。本文詳細分析了飛輪儲能系統(tǒng)對轉(zhuǎn)

2、子支承系統(tǒng)需求，針對飛輪儲能系統(tǒng)頻繁加減速，長時間連續(xù)運行的特點，選擇了主動式磁軸承作為飛輪儲能轉(zhuǎn)子的支承系統(tǒng)。為了降低磁軸承的損耗，提高磁軸承的結(jié)構(gòu)緊湊型，選擇了永磁體產(chǎn)生永磁偏置磁場。對獨立式永磁偏置徑向、軸向磁軸承的拓撲結(jié)構(gòu)、電磁場解析模型、數(shù)學模型與控制系統(tǒng)展開了研究。論文的工作主要包含以下幾個方面:
　　介紹了永磁偏置同極式徑向磁軸承（徑向磁軸承）的結(jié)構(gòu)和工作原理，依照徑向磁軸承的結(jié)構(gòu)特征，采用子域法，結(jié)合周期性邊界條件

3、，建立了氣隙永磁偏置磁場的解析模型。將電勵磁磁場簡化為二維平面電磁場，采用面電流模型，建立了電勵磁磁場的解析模型。將徑向磁軸承的端部結(jié)構(gòu)簡化為直線模型，采用保角變換法建立了端部磁場的解析模型。通過對端部磁場不同區(qū)域的劃分，建立了考慮齒槽效應的軸向電磁力計算模型。采用有限元軟件對徑向磁軸承的三維靜磁場進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了解析模型的有效性。
　　本文首先對徑向磁軸承所使用的磁性材料的直流磁化曲線進行了測試。對磁力線路徑進行了預測

4、，建立了包含齒槽效應、轉(zhuǎn)子偏心以及磁材料線性磁阻的徑向磁軸承磁路模型。三維有限元分析的結(jié)果驗證了基于磁路模型的氣隙磁場和電磁力特性計算結(jié)果，進而證明了在實際控制系統(tǒng)中，可以認為徑向磁軸承的兩個自由度是相互解耦的。針對飛輪儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學需求，考慮到永磁電機的偏心力和轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量引發(fā)的不平衡力，對轉(zhuǎn)子各個姿態(tài)之下的徑向磁軸承最大電磁力需求進行了計算。對磁軸承的電勵磁和永磁勵磁比例進行了研究。對徑向磁軸承進行了電磁設(shè)計，確定徑向磁軸承

5、的主要尺寸，并給出了設(shè)計結(jié)果。
　　介紹和比較了現(xiàn)有的永磁偏置軸向磁軸承的拓撲結(jié)構(gòu)，提出了一種多氣隙永磁偏置軸向磁軸承（軸向磁軸承）的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理?；诒＝亲儞Q方法和側(cè)邊磁力線模型，建立了所提出的軸向磁軸承軸向氣隙的解析模型?；诖盼焕绽狗匠毯吐┐艆^(qū)域的邊界磁位，給出了永磁體所產(chǎn)生漏磁通的解析表達式。建立了軸向磁軸承的磁路模型，并據(jù)此建立了軸向磁軸承的電磁力計算模型。對軸向磁軸承進行了電磁設(shè)計，對內(nèi)氣隙的寬度比例

6、進行了選擇，對永磁體的尺寸和安放位置進行了優(yōu)化設(shè)計。采用三維有限元分析驗證了軸向磁軸承解析模型的有效性和電磁設(shè)計的正確性。
　　針對由軸向磁軸承實心定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的渦流問題，將軸向磁軸承的主要電勵磁磁路劃分為多個分別包含有軸向磁通和徑向磁通的部分，依照交流磁通的單元有效磁阻模型，實現(xiàn)了對交變磁阻的等效。將定子中心盤考慮為二次繞組，確立了軸向磁軸承各個矢量之間的關(guān)系。從而獲得了電流剛度的解析表達式。對軸向磁軸承的二維瞬態(tài)電磁場，采

7、用有限元軟件進行了分析，驗證了電力剛度解析表達式在各個頻率段上的正確性。采用有限元分析手段，對由轉(zhuǎn)子運動造成的渦流效應，采用網(wǎng)格重剖技術(shù)，對磁軸承的動態(tài)位移剛度系數(shù)進行了計算。對交流勵磁源激勵之下和轉(zhuǎn)子運動狀況下的永磁偏置力進行了計算。為了改善磁軸承的動態(tài)性能，提出了一種基于定子分割的渦流抑制方法，通過對單元有效磁阻模型的等效處理，建立了定子分割之后的電流剛度表達式。
　　將徑向磁軸承和軸向磁軸承的輸出特性等效為電流剛度系數(shù)和位移

8、剛度系數(shù)的線性組合。將轉(zhuǎn)子近似的等效為剛性轉(zhuǎn)子。在Matlab/Simulink環(huán)境中，建立了飛輪儲能系統(tǒng)的磁軸承數(shù)學模型、控制系統(tǒng)數(shù)學模型和轉(zhuǎn)子動力學模型。對包含渦流效應的軸向磁軸承起浮過程進行了仿真研究，證明了渦流效應將降低軸向磁軸承的響應速度。對不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子振幅進行了仿真研究，仿真的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子的最大振幅將出現(xiàn)在共振頻率點處。
　　研制了一臺儲能量為4.8MJ的飛輪儲能樣機，所設(shè)計的飛輪儲能樣機本體包含有磁軸承、高速永

9、磁電動/發(fā)電機、飛輪轉(zhuǎn)子本體、輔助軸承以及真空腔屏蔽罩。飛輪與轉(zhuǎn)軸為一體式設(shè)計，采用高強度合金鋼材料整體鍛造，設(shè)計最高運行轉(zhuǎn)速在一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速以下。分別搭建了徑向磁軸承和軸向磁軸承的位置和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對徑向磁軸承和軸向磁軸承的電流剛度參數(shù)和位移剛度參數(shù)進行了測試，驗證了本文所建立分析模型的有效性和電磁設(shè)計的正確性。對軸向磁軸承的動態(tài)電流剛度系數(shù)進行了實驗研究，驗證了瞬態(tài)有限元仿真技術(shù)的有效性。對飛輪儲能系統(tǒng)進行了5自由度懸浮實